東焦河水電站二級(jí)站工程爆破對(duì)青蓮寺文物振動(dòng)安全監(jiān)測(cè)

張如海 張斌 梁俊生

（山西省水利建筑工程局 太原 030006）

1 東焦河水電站工程概述

東焦河水電站工程水源樞紐泵站位于晉城市澤州縣金村鎮(zhèn)丹河干流東焦河水電站工程樞紐大壩下游4 km，是解決晉城工礦企業(yè)用水，同時(shí)兼顧沿途農(nóng)業(yè)灌溉的供水工程。站址區(qū)屬侵蝕性河流，河床及兩岸基巖裸露，基巖陡立。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育有兩組：一組走向23°，垂直河床，傾角近直立，張開(kāi)度 l～l0 cm；一組走向 113°～l20°，大致平行于河床，傾角近于直立、閉合狀。地層巖性由老到新依次主要為下奧陶統(tǒng)白云巖、白云灰質(zhì)巖，層理明顯，巖性致密堅(jiān)硬，巖層產(chǎn)狀 221°～228°、3°～7°，該層總厚 140～160 m，出露厚度65～80 m。本區(qū)抗震防烈度為六級(jí)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05 g;地層的等效剪切波速Vse>500，建筑場(chǎng)地類別為Ⅰ類，屬建筑抗震有利地段，本場(chǎng)地不考慮軟弱土的震限影響。

該工程水源位于郭壁抽水站上游600 m處的攔河壩內(nèi)，經(jīng)攔河壩下游泵站加壓后沿北偏西方向布設(shè)一直徑630 mm輸水總管，經(jīng)掌老山至東小莊村西調(diào)蓄池，線路長(zhǎng)3.474 km，設(shè)計(jì)提水量 0.47 m3／s。輸水管管溝斷面底寬 l.5～3 m，邊坡為 l∶0.25～1∶0.5。其中，需進(jìn)行爆破開(kāi)挖的管溝段大致在樁號(hào)0+819.8～0+400之間，開(kāi)挖高差大致31～214 m。爆破開(kāi)挖段西北或正北山腳處為古青蓮寺，青蓮寺地面平均高程約△587 m，寺門(mén)距離爆破區(qū)水平距離在400～500 m之間，距佛像水平距離約在340～440 m之間。

2 監(jiān)測(cè)依據(jù)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003）第4.15條、《水電水利工程爆破安全監(jiān)測(cè)規(guī)程》(DL5333—2005）第5.7.4條及《水工建筑物巖石基礎(chǔ)開(kāi)挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DL／T5389-2007）第10.0.6條的規(guī)定，對(duì)建筑物或防護(hù)目標(biāo)的安全有要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行爆破安全監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)宜選擇質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度、加速度等項(xiàng)目。晉城東焦河水電站供水工程管溝基礎(chǔ)開(kāi)挖爆破距山腳處古青蓮寺最近水平距離雖有400 m左右，寺內(nèi)國(guó)家一級(jí)文物唐宋時(shí)期佛像為泥塑，內(nèi)由藤條及木梁支撐，外砌白灰并有彩繪。目前，佛像彩繪脫落嚴(yán)重，佛壁及與觀音佛像連接處己多處開(kāi)裂，觀音佛像靠搭建支架支撐，穩(wěn)定性極差，已基本無(wú)法承受外力破壞。故須對(duì)其進(jìn)行爆破振動(dòng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)，以制定合理的鉆爆參數(shù)，確保爆破不對(duì)文物安全造成損害。

2008年3月 22日11∶34、11∶37分別進(jìn)行了兩次爆破開(kāi)挖試驗(yàn)，應(yīng)業(yè)主晉城市東焦河水電站及施工方山西省水工局委托方要求，由長(zhǎng)江科學(xué)院工程質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)其進(jìn)行了爆破振動(dòng)安全監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)目的

（1）測(cè)試爆區(qū)周圍需防護(hù)物爆破振動(dòng)速度，依據(jù)相關(guān)文件以及國(guó)家有關(guān)安全規(guī)范中規(guī)定的爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判防護(hù)物在爆破中的安全性，并應(yīng)便于及時(shí)調(diào)整爆破方案。

（2）根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析爆區(qū)與需保護(hù)文物區(qū)域的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，為供水工程制定爆破方案以及控制爆破規(guī)模提供依據(jù)。

4 爆破安全控制標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003）中第6.2.2規(guī)定：“地面建筑物的爆破振動(dòng)判據(jù)，采用保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振頻率”，各類建筑物的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)（GB6722—2003）

振動(dòng)主頻是指峰值振動(dòng)速度所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率。振動(dòng)主頻大小由爆破條件、傳播介質(zhì)特性、控制點(diǎn)距爆心距離決定。

根據(jù)上述規(guī)定，鑒于青蓮寺唐宋時(shí)期佛像承受外力能力很差，故對(duì)其安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從嚴(yán)控制。依據(jù)2008年3月21日由業(yè)主、監(jiān)理、施工及監(jiān)測(cè)方參加的爆破及安全監(jiān)測(cè)實(shí)施方案會(huì)議的要求，可按表1中對(duì)古跡規(guī)定的最下限取值，即對(duì)于青蓮寺內(nèi)唐宋時(shí)期佛像安全允許振速為：

青蓮寺內(nèi)包括佛塔等其他建筑保存相對(duì)完好，多為石砌建筑，有些已經(jīng)過(guò)修繕，但對(duì)其安全標(biāo)準(zhǔn)仍應(yīng)相對(duì)從嚴(yán)，對(duì)于青蓮寺內(nèi)其他建筑，其安全標(biāo)準(zhǔn)可按表1中土坯房安全標(biāo)準(zhǔn)的下限取值，即對(duì)于青蓮寺內(nèi)佛像以外建筑的爆破安全允許振動(dòng)速度為：

5 監(jiān)測(cè)布置及設(shè)備

5.1 爆破情況

2008年3月22曰，采用不同的單段藥量各進(jìn)行了1次爆破試驗(yàn)監(jiān)測(cè)。其中，11∶34進(jìn)行的爆破采用MSl、MS3電雷管分兩段起爆，單段藥量分別為 l6.65 kg、15.16 kg；11：37 進(jìn)行的爆破采用MSl、MS3、MS5電雷管分三段起爆，單段藥量分別為22.04 kg、21.83 kg及28.85 kg。爆破樁號(hào)大致在0+650～0+669之間，表面高程約763～766 m，底部高程約760～764 m。采用淺孔爆破，φ42 mm手風(fēng)鉆造孔，孔深多在1.2～3.8 m之間，孔、排距大致l m×l m。設(shè)計(jì)爆破單耗0.5 kg/m3。

5.2 測(cè)點(diǎn)布置

在11：34第 1次爆破中共布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，在山頂上布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，記作1#、2#測(cè)點(diǎn)，距離爆區(qū)邊緣水平分別為62 m、120 m；在青蓮寺慧峰塔基布置3#測(cè)點(diǎn)，在青蓮寺觀音像基座根部布置4#測(cè)點(diǎn)。

在11：37第 2次爆破中共布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，在山頂上布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，記作1#、2#測(cè)點(diǎn)，距離爆區(qū)邊緣水平分別為62 m、120 m；在青蓮寺慧峰塔基布置3#測(cè)點(diǎn)。

各測(cè)點(diǎn)均監(jiān)測(cè)水平徑（水平指向爆區(qū)）、豎直及水平切（與水平徑正交）三向質(zhì)點(diǎn)振速。

5.3 監(jiān)測(cè)設(shè)備

主要采用加拿大MiniMate Plus以及美國(guó)Mini—Seis兩套測(cè)振系統(tǒng)進(jìn)行爆破質(zhì)點(diǎn)振速測(cè)試，二者均具有預(yù)置自觸發(fā)記錄功能。

MiniMate Plus測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)在同一觀測(cè)點(diǎn)測(cè)試3個(gè)方向的爆破震動(dòng)速度（含時(shí)程曲線）及爆破噪聲，此外，還可提供峰值加速度、峰值位移以及頻率—峰值震動(dòng)速度曲線，可以記錄300次不同時(shí)刻的爆破震動(dòng)，最長(zhǎng)記錄時(shí)間為500 s（采樣頻率為1 KHz時(shí)）。系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)碼芯片自動(dòng)對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行控制，可靈活方便設(shè)置測(cè)試參數(shù)，包括測(cè)試量程、采樣頻率、信號(hào)觸發(fā)方式及電平大小記錄時(shí)間及次數(shù)等，并可適應(yīng)全天候的野外作業(yè)條件，待機(jī)記錄時(shí)間48h以上，是目前國(guó)際最先進(jìn)的振動(dòng)記錄設(shè)備之一。

Mini—Seis測(cè)試系統(tǒng)用于記錄爆破振動(dòng)過(guò)程，可以進(jìn)行位移、加速度分析、反應(yīng)譜分析，具有單事件和多事件處理能力。

技術(shù)指標(biāo)與MiniMate Plus相同。

兩種測(cè)試系統(tǒng)均已通過(guò)省級(jí)計(jì)量部門(mén)認(rèn)證。

6 監(jiān)測(cè)成果分析及評(píng)價(jià)

2008年3月22日1l：34爆破振動(dòng)速度安全監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，2008年3月22日11：37爆破振動(dòng)速度安全監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)及宏觀調(diào)查結(jié)果表明：（1）在單段爆破藥量15.16～16.65 kg爆破中，青蓮寺觀音像基座部位單向最大振速在0.071 cm/s以內(nèi)，最大合振速僅為0.082 cm/s，低于其允許安全振速；青蓮寺距爆區(qū)最近的慧峰塔塔基部位兩次爆破振動(dòng)相近，最大合振速在0.172 cm/s以內(nèi)，仍明顯低于其安全允許振速。

表2 單段l5.16～16.65 kg爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果表

表3 單段21.83～28.85 kg爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)成果表

（2）青蓮寺內(nèi)第二次爆破振動(dòng)量與第一次相近，可能主要與前次爆破為其創(chuàng)造了較好的臨空面條件以及后排采用單排起爆（第一次爆破兩排同時(shí)起爆）等有關(guān)。

（3）采用拍照手段對(duì)佛像進(jìn)行爆破前后對(duì)比檢查未發(fā)現(xiàn)原破損部位有損壞加劇跡象，亦未發(fā)現(xiàn)明顯脫落、掉灰等現(xiàn)象；爆破時(shí)，佛堂外人員均稱無(wú)明顯振感。結(jié)合振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，兩次試驗(yàn)爆破應(yīng)不會(huì)對(duì)青蓮寺佛像及佛塔等保護(hù)物產(chǎn)生破壞影響。

（4）從爆破振動(dòng)頻率分析，山頂爆破近區(qū)l#、2#測(cè)點(diǎn)振動(dòng)主頻在20～51 Hz之間，而遠(yuǎn)區(qū)青蓮寺測(cè)點(diǎn)振頻明顯降低，但也在10 Hz以上，其中佛像基座部位振頻在11～16 Hz之間，而建筑物的自振頻率一般在10 Hz以內(nèi)，因而爆破振動(dòng)引起青蓮寺建筑自振的可能性不大；此外，第2節(jié)中佛像的安全控制標(biāo)準(zhǔn)是按振頻小于10 Hz制定的，也是偏于保守的。

（5）根據(jù)實(shí)測(cè)振動(dòng)歷程分析，青蓮寺測(cè)點(diǎn)主振段振動(dòng)時(shí)間可達(dá)500～600 ms，明顯超過(guò)設(shè)計(jì)爆破延時(shí)，主要原因:一是爆破地震波傳播路徑復(fù)雜，某些成分的波會(huì)延遲抵達(dá)，在爆破遠(yuǎn)區(qū)也有可能產(chǎn)生疊加；二是有佛堂地面石板結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)，有輕微應(yīng)響?？梢?jiàn)，對(duì)于爆破不僅應(yīng)嚴(yán)格控制單段起爆藥量，還應(yīng)嚴(yán)格控制單次起爆規(guī)模及段數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格按照本次試驗(yàn)的起爆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行爆破施工以確保文物安全。

7 爆破振動(dòng)安全控制與預(yù)報(bào)

7.1 爆破振動(dòng)傳播經(jīng)驗(yàn)公式

現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）中規(guī)定，爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度采用式（1）進(jìn)行預(yù)報(bào)，即與Qa/3成正比，與Ra成反比，可以用下式來(lái)表示：

式中：R—爆源中心至測(cè)點(diǎn)距離，此處考慮爆區(qū)與青蓮寺之間地形情況，偏保守取為爆源至測(cè)點(diǎn)水平距離R*與高程差H之和，且R=R*+H，m；

Q一炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大段藥量，kg；

V—保護(hù)對(duì)象所在地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)安全允許振速，cm/s；

K、a—與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6722中推薦值選取，或通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

7.2 爆破振動(dòng)傳播經(jīng)驗(yàn)公式分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)最大爆破振動(dòng)合速度采用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行回歸計(jì)算，獲得爆破振動(dòng)衰減經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：p—單響藥量參考系數(shù)，kg，p=0.0048～0.0412。

相關(guān)性檢驗(yàn)表明，相關(guān)系數(shù)r=0.93，即上式中變量V與自變量p之間的線性關(guān)系是顯著的。

采用式（3）進(jìn)行爆破振動(dòng)控制與預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)注意采用前述自變量的取值方法，p值范圍只宜內(nèi)插，不宜外推。

7.3 爆破振動(dòng)控制

取爆破允許振速V允=0.1cm/s，爆破單段藥量分別為15 kg、20 kg時(shí)，采用式（2）計(jì)算得到的安全爆破允許距離見(jiàn)表4。

表4 爆破安全允許距離分析表

表4中安全允許距離R取值方法與式（5-2）相同，即為爆源至測(cè)點(diǎn)水平距離R*與高程差H之和，即R=R*+H。

例如，對(duì)于本次試驗(yàn)爆破，佛像至爆源水平距離R*約為360 m，高差H=175 m，則R=R*+H=535 m>521 m，即采用單段起爆藥量Q=20 kg是可行的。

對(duì)于管溝某些區(qū)段高程較低，與青蓮寺高差在lOO m以內(nèi)時(shí)，如距離R值小于521 m，則單段起爆藥量應(yīng)按Q=15 kg控制（根據(jù)現(xiàn)有管溝平面布置圖及開(kāi)挖高程分析，R均應(yīng)大于 473 m）。

注意，采用以上單段起爆藥量進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，還應(yīng)嚴(yán)格采用本次試驗(yàn)起爆網(wǎng)路爆破方能確保安全。

8 結(jié)論

（1）青蓮寺一級(jí)文物唐宋佛像年久失修，己基本無(wú)法承受外力，故按現(xiàn)行《爆破安全規(guī)程》（GB6722—2003）中規(guī)定的古跡安全允許振速下限值控制爆破規(guī)模，以確保文物安全。

（2）根據(jù)振動(dòng)實(shí)測(cè)以及宏觀調(diào)查結(jié)果，試驗(yàn)爆破振動(dòng)未對(duì)唐宋佛像安全造成損害。

（3）根據(jù)振動(dòng)測(cè)試結(jié)論，并依據(jù)爆破振動(dòng)傳播規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式推算結(jié)果，管溝開(kāi)挖爆破采用15～20 kg單段起爆藥量應(yīng)能確保文物安全，前提是須嚴(yán)格按照試驗(yàn)的單次起爆規(guī)模及網(wǎng)路進(jìn)行爆破。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，已對(duì)爆破單段起爆藥量及網(wǎng)絡(luò)分段爆破進(jìn)行了嚴(yán)格控制，取得成功，有效地保證了唐宋佛像及施工安全。